A importância do ensaio de isolamento em um Sistema Fotovoltaico Conectado à Rede | SolarEdge
Denilson Tinim
Jul 21, 2020 Comentários ()
Falha de isolamento em um SFCR, e agora?
Já se deparou com esse desafio na sua instalação? Esse é um desafio que pode acontecer em instalações de sistema fotovoltaicos e vamos explicar aqui o que significa, como ocorre e como podemos resolver esse desafio.
Em sistemas fotovoltaicos que utilizam inversor de tecnologia sem transformador (transformerless), o circuito CC é isolado do terra (PE). Módulos fotovoltaicos com falha de isolamento, fios não blindados ou conexões ruins podem causar o "vazamento" de corrente CC no aterramento. Correntes de fuga excessivas podem representar risco de choque elétrico, danificar equipamentos e prejudicar o desempenho do sistema. Por isso, a realização de ensaios é fundamental para garantir a segurança e a funcionalidade de equipamentos elétricos, entre eles o inversor fotovoltaico, uma vez que permite a identificação de qualquer alteração que possa comprometer seu uso, oferecer risco ou causar acidentes. A avaliação do sistema isolante consiste em uma das principais ferramentas para determinar a condição operacional dos equipamentos elétricos.
Como ocorre uma falha de isolamento?
Quanto maior é o valor de resistência de isolamento, melhor é a qualidade do isolamento do condutor. Com o passar do tempo, a resistência de isolamento dos condutores diminui naturalmente, devido a fatores ambientais, tais como temperatura, luz solar, insetos, impactos ou vibração. Adicionalmente, danos ao isolamento dos condutores podem ser resultado de uma instalação inadequada. A isolação ou "blindagem" do condutor elétrico pode ser danificada durante a crimpagem e encaixe dos conectores ou no processo de acondicionamento da fiação nas eletro calhas ou dutos de passagem. Com isso, pode ocorrer um curto-circuito entre o circuito CC e o terra. Isso é o que chamamos de falha de isolamento. Além disso, uma falha de isolamento também pode ser observada se a umidade do local estiver muito alta, por isso é comum ocorrer essa falha em dias chuvosos ou após um longo período de chuvas. Esses fatores fazem ocorrer alterações da capacitância do isolamento, da resistência total, das perdas superficiais e da temperatura do material.
A mensagem de alerta que aparece na tela do inversor é "erro de isolamento" ou "falha de isolamento". Por razões de segurança, enquanto existir esta falha, o inversor não converterá nenhuma energia, pois pode haver corrente com risco de vida nas partes condutoras do sistema. Enquanto houver apenas uma conexão elétrica entre o DC e o terra (PE), não haverá perigo imediato uma vez que o sistema não está fechado e nenhuma corrente pode fluir através dele. Mas é preciso resolver isso rapidamente, pois existem riscos visto que um segundo curto-circuito à terra, cria uma corrente de curto-circuito através dos módulos e da fiação. Isso aumentará o risco de incêndio em sistemas fotovoltaicos com inversores comuns. Além do que tocar nos módulos FV pode causar ferimentos físicos graves. Esses riscos são nulos em sistemas com tecnologia MLPE, visto que não existem strings de módulos.
A resistência de isolamento é a medida que mostra a dificuldade oferecida à passagem de corrente pelos materiais isolantes. O ensaio consiste em aplicar uma tensão em corrente contínua, com valores que variam de acordo com o equipamento a ser testado, em um SFCR em geral utiliza-se a tensão de 500V, mas é sempre importante verificar com o fabricante qual é a especificação de teste para cada equipamento.
A norma técnica ABNT NBR 5410 - Instalações elétricas de baixa tensão determina que os ensaios de resistência de isolamento da instalação elétrica devem ser realizados, quando pertinentes. A norma técnica ABNT NBR 16274 - Sistemas fotovoltaicos conectados à rede – Requisitos mínimos para documentação, ensaios de comissionamento, inspeção e avaliação de desempenho determina que deve ser aplicado o ensaio de resistência de isolamento dos circuitos CC.
É importante salientar que as normas disponíveis sobre este assunto estabelecem que este ensaio não é um critério para aprovação ou rejeição do equipamento. Na verdade, é um ensaio bastante útil para a verificação de curtos-circuitos, e deve especialmente ser feito durante o comissionamento de um SFCR e devidamente registrado em um relatório de comissionamento. Como medida preventiva os ensaios de resistência de isolamento podem ser feitos em um intervalo de 3 anos, ou conforme as circunstâncias exigirem.
Para a medição da resistência de isolamento utiliza-se um instrumento de medição chamado megôhmetro ou, popularmente, megger (o que, na realidade, é a marca de um fabricante). Os megôhmetros atuais podem ser analógicos ou digitais (motorizados ou eletrônicos), mas, também, podem ser manuais (com uma "manivela").
Para realizar um ensaio de resistência de isolamento, o inversor deve estar desligado. É necessário curto-circuitar os terminais positivo e negativo da string, colocar a ponta de prova positiva nesse curto-circuito e a ponta de prova negativa no terra e aplicar a tensão CC adequada. No entanto, é válido prestar muita atenção ao curto-circuitar os cabos em sistemas tradicionais de string. Este método apresenta uma forma precisa, porém perigosa, de medir a resistência de isolamento. A única alternativa quando se usa o método de curto-circuito é medir a resistência de isolamento durante a noite quando os módulos fotovoltaicos não estão gerando energia. Os sistemas com tecnologia MLPE apresentam uma vantagem na realização desse ensaio pois não tem o risco de ter alta tensão e corrente devido ao controle e segurança que os otimizadores dão ao SFCR.
Se a resistência de isolamento medida for menor que 600kΩ em um inversor monofásico ou menor que 1MΩ em um inversor trifásico, continue verificando os componentes dessa string para isolar a fonte do vazamento de corrente e encontrar a fonte da falha de isolamento para devidamente corrigi-la.
Detectar, encontrar e resolver a falha de resistência de isolamento em um SFCR pode parecer um desafio no início, mas seguir as orientações do fabricante do módulo ou inversor com certeza é a melhor opção. Também estudar e colocar em prática o que as normas vigentes especificam sobre o assunto e manter um registro organizado dos documentos e relatórios do projeto fotovoltaico é algo que vai facilitar a resolução dessa falha caso venha a acontecer.
Opte sempre por equipamentos certificados e testados nesse quesito e preze pela qualidade dos equipamentos e serviços de instalação prestados. Dessa forma vamos manter a excelência em nossos tratos comerciais!
Associação Brasileira de Normas Técnicas, ABNT NBR 5410:2004 - Instalações Elétricas de Baixa Tensão, 2004.
Associação Brasileira de Normas Técnicas, ABNT NBR 16274:2014 - Sistemas Fotovoltaicos Conectados à Rede — Requisitos Mínimos para Documentação, Ensaios de Comissionamento, Inspeção e Avaliação de Desempenho, 2014.
SolarEdge, Application Note – Isolation Fault Troubleshooting, fevereiro, 2019.
S.Pingel, O.Frank, M.Winkler, S. Oaryan, T. Geipel, H. Hoehne and J. Berghold, 35 th, IEEE Photovoltaic Specialists Conference (PVSC), (2010), pp. 2817–2822.
Ensaio de Resistência de Isolamento FV: O que é e por que realizá-lo? Por João Paulo de Souza, Ecori, 13 de Junho de 2019, artigos.
Fasciculo sobre Manutenção elétrica, Capítulo VII Ensaios de resistência de isolamento e de rigidez dielétrica – Por Marcelo Paulino, 2014.
National Renewable Energy Laboratory – NREL, Field Guide for Testing Existing Photovoltaic Systems for Ground Faults and Installing Equipment to Mitigate Fire Hazards, October, 2015.
Juliano Pereira | August 25, 2020
O sobredimensionamento (em inglês oversizing) é uma ferramenta importante na hora de dimensionar um sistema fotovoltaico e por isso é importante entender quais as características e os impactos do sobredimensionamento de seu projeto. Porém antes de iniciar precisamos pensar: Nós escolhemos a quantidade de módulos de acordo com o inversor ou escolhemos o inversor para uma quantidade de módulos prevista no projeto? Vamos analisar a seguir. É comum que haja discussão sobre qual é a melhor relação entre potência de módulos e a potência do inversor. Para analisar as possibilidades no dimensionamento de um projeto, vamos verificar na fórmula abaixo o coeficiente de dimensionamento em relação CC/CA (Corrente Contínua/ Corrente Alternada) do inversor, conhecido também como IR (inverter ratio): Logo, no dimensionamento as possíveis variações serão: Dimensionamento CC/CA (IR) < 100% - inversor subdimensionado, as potências dos módulos são inferiores ao valor nominal do inversor Dimensionamento CC/CA (IR) = 100% - inversor dimensionado na potência nominal. Dimensionamento CC/CA (IR) > 100% - inversor sobredimensionado, as potências dos módulos são superiores ao valor nominal do inversor. Logo, se utilizarmos uma potência de painéis (CC) maior do que a potência nominal do inversor (CA), estaremos sobredimensionando o inversor. O inversor fotovoltáico possui um limite máximo de potência de saída, que é pré configurado pelo fabricante de acordo com as características do inversor. Esse limite de potência é indicado no datasheet do equipamento como "potência máxima CA". Isso quer dizer que mesmo que a potência dos módulos (CC) seja maior do que o valor de potência nominal do inversor (CA), o inversor irá gerar potência na saída apenas até o seu valor máximo e a potência adicional dos módulos será "cortada". Esse comportamento é conhecido como "clipping" ou "ceifamento". Figura 1: Gráfico indicando o ceifamento (clipping) de um inversor SE75K SolarEdge com sobredimensionamento CC/CA de 130%. É comum o instalador pensar "Se o inversor irá cortar a potência excedente, então por que fazer o sobredimensionamento?" E essa é uma ótima pergunta que vamos responder a seguir. Por que fazer o sobredimensionamento do inversor? Os módulos fotovoltaicos normalmente não trabalham em sua potência máxima na maior parte do tempo. Diversos fatores impactam em sua potência de saída e esse é o principal motivo para realizar o sobredimensionamento. Com o sobredimensionamento do inversor você poderá utilizar a máxima potência disponível do inversor com muito mais frequência. Isso permitirá que você tenha uma maior geração de energia no período da manhã e da tarde, e nos poucos dias em que o sistema irá atingir sua potência máxima, caso o sobredimensionamento seja realizado corretamente, o valor adicional gerado nesses períodos será maior que o valor ceifado (clipping). Figura 2: Gráfico de comparação de geração em um dia de sol entre um sistema sem sobredimensionamento e um sistema com sobredimensionamento de 135%. Veja abaixo os principais motivos que impactam na potência dos módulos fotovoltaicos. Potência pico (STC) Os módulos fotovoltaicos, indicam em seu datasheet a potência pico (Wp), que é o valor de potência encontrado em laboratório durante testes em condições padrão (STC- Standard Test Conditions), porém sabemos que em uma instalação real os painéis trabalham a maior parte do tempo em condições de temperatura e irradiação bem diferentes das encontradas em laboratório, isso significa que você deve considerar que o módulo irá produzir na maior parte do tempo uma potência menor do que o valor indicado por seu fabricante no datasheet. Degradação Linear Outra característica dos módulos fotovoltaicos é que eles apresentam uma degradação natural ao longo dos anos. Essa característica é indicada no datasheet do módulo e normalmente indica que ocorrerá uma degradação um pouco maior no primeiro ano e depois uma degradação linear, chegando a uma diferença de 20% ao longo de 20 anos. Outros fatores Características como temperatura, local de instalação, orientação e inclinação do módulo também terão impacto na potência máxima que esse módulo irá alcançar. Também deve ser considerado o acumulo de poeira e sombreamentos. Qual o sobredimensionamento ideal? Já vimos que diversas características impactam na performance dos módulos fotovoltaicos e concluímos que na maior parte dos projetos é interessante fazer o sobredimensionamento para utilizar todo o potêncial de seu inversor. Para determinar qual o sobredimensionamento que será realizado, devem ser consideradas as caracteríticas da instalação e projeto. Conforme detalhes apresentados a seguir. Recomendação máxima do fabricante Na folha de dados técnicos do inversor (datasheet) é possível verificar o valor máximo de sobredimensionamento recomendado pelo fabricante do inversor. Esse valor pode ser expressado em porcentagem (%) ou em potência máxima pico (Wp). Portanto, ao definir o sobredimensionamento deve ser verificado qual o valor máximo permitido pelo fabricante. Os inversores da SolarEdge permitem um sobredimensionamento entre 135% à 155% de acordo com o modelo utilizado. Veja exemplo do recorte do datasheet dos inversores trifásicos abaixo: Figura 3: Recorte do datasheet dos inversores trifásicos, indicando a máxima potência CC recomendada pelo fabricante. Simulação do sistema fotovoltaico A simulação do sistema fotovoltaico, permite identificar qual é a estimativa de produção do sistema, levando em consideração a performance do módulo para um determinado local e características de instalação. A SolarEdge possui a ferramenta de simulação on-line e gratuita, chamada SolarEdge Designer. Essa plataforma permite você fazer simulação do sistema fotovoltaico com inversores e otimizadores de potência SolarEdge e gerar um relatório com a estimativa de produção mês a mês e anual, indicando o percentual de energia ceifada (clipping). O Designer considera na simulação o valor de potência efetiva do módulo, ou seja , de acordo com as características do local, e não o valor de potência pico (STC), indicados no datasheet. Veja abaixo um exemplo de relatório do SolarEdge Designer. Figura 4: Recorte do relatório de um projeto com 149% de oversizing, realizado pela plataforma SolarEdge Designer indicando a informação de energia Ceifada. Analise Econômica do projeto O último passo na seleção do valor de sobredimensionamento é a análise econômica do projeto. Ao realizar a simulação é possível identificar qual a quantidade de módulos é necessário para atender a geração de energia do projeto. Como vimos acima, dependendo das características do projeto chegará um momento que o aumento de potência CC dos módulos não será aproveitada pelo inversor, causando um ceifamento maior de energia (clipping) do que o aumento de geração. E é nesse momento que a análise financeira é importante, pois além das características técnicas, precisa ser identificado se o investimento adicional com a adição de módulos fotovoltaicos trará um retorno proporcional na geração de energia, impactando diretamente no retorno de investimento do projeto. Para exemplificar fizemos duas simulações na plataforma SolarEdge Designer, em ambas simulações foram utilizados as mesmas características de projeto (orientação, inclinação, etc) e em ambas simulações foi utilizada uma potência de módulos de 9000Wp. Na primeira simulação utilizamos um inversor SE600H (6000w) com um sobredimensionamento de 150% e na segunda simulação utilizamos um inversor SE9200H (9200w) sem sobredimensionamento. Como pode ser verificado no gráfico abaixo, mesmo com a mesma quantidade de módulos o inversor SE9200H teve uma geração de aproximadamente 20% maior do que o inversor SE600H, isso porque no inversor SE6000H devido o alto nível de sobredimensionamento o ceifamento (clipping) cortou grande parte da produção do módulos. Com base nesses dados basta analisar se o custo adicional dos módulos justifica a produção de energia ou é melhor investir em um inversor maior e reduzir a quantidade de módulos? A decisão vai depender dos preços de aquisição do inversor e dos módulos. Figura 5: Gráfico de comparação de geração/mês entre inversor SE600H com sobredimensionado de 150% e inversor SE9200H sem sobredimensionamento, ambos com a mesma quantidade de módulos. Cuidados a serem tomados O sobredimensionamento excessivo pode impactar no período de vida útil do equipamento. Pois, o inversor irá operar com maiores níveis de potência por períodos mais longos aumentando a temperatura interna de operação. Por isso a recomendação de sobredimensionamento máximo do fabricante deve ser considerada afim de evitar prejuízo no tempo de vida útil do equipamento e perdas de garantia. Conclusão O sobredimensionamento é fundamental para maximizar a energia gerada pelo sistema, visto que os módulos fotovoltáicos são impactados por diversos fatores e por isso na maior parte do tempo os módulos não irão gerar sua potência nominal e também terão uma diminuição de forma gradativa na potência devido a degradação linear do módulos. Para a definição do valor de sobredimensionamento deve ser considerado as características técnicas do projeto e recomendações do fabricante do inversor. O sobredimensionamento não é apenas um fator técnico, porém também econômico, pois irá impactar diretamente no retorno de investimento do projeto. Referências bibliográficas: SolarEdge, "Technical Note - Oversizing of SolarEdge Inverters", August, 2019.